Ottimizzazione di materiali e trattamenti per componenti critici destinati a motociclette da competizione

L’attività svolta durante il dottorato è stata incentrata su due tematiche riguardanti: (i) la modifica della composizione chimica delle classiche leghe di alluminio da fonderia per incrementarne la resistenza e stabilità termica; (ii) lo studio del comportamento a fatica di acciai innovativi alto-resistenziali, allo scopo di valutarne il loro utilizzo per la produzione di alberi motore e distribuzione in sostituzione dei tradizionali acciai utilizzati dopo bonifica e trattamento superficiale di nitrurazione. La messa a punto di una lega di alluminio da fonderia con elevata resistenza in temperatura ha richiesto, oltre all’individuazione della composizione chimica, l’ottimizzazione del trattamento termico e una completa caratterizzazione meccanica statica a fatica sia a temperatura ambiente sia a 200°C. L’attività ha permesso di sviluppare una lega, ottenuta aggiungendo 1,3% in peso di rame alla classica lega A357 (Al-Si-Mg), cha ha mostrato avere proprietà meccaniche superiori a quelle delle tradizionali leghe Al-Si-Mg-Cu quali la A354 e C355 sia a temperatura ambiente che a 200 °C dopo lunga esposizione in temperatura. Per quanto riguarda gli acciai innovativi, dopo una preliminare analisi di mercato per individuare quali acciai potessero essere oggetto di studio, è stato valutato come migliorarne le prestazioni a fatica, anche in presenza d’intaglio, attraverso la scelta del trattamento termico più opportuno e del processo di pallinatura. I risultati delle caratterizzazioni microstrutturale e meccanica svolte hanno permesso di individuare due acciai (nomi commerciali K890 e ASP2017) ottenuti per metallurgia delle polveri, ad oggi utilizzati solo per la produzione di stampi e/o utensili, in grado di sostituire gli acciai con cui vengono oggi realizzati i componenti, senza la necessità di eseguire il trattamento di nitrurazione

High-strength steels manufactured via Laser Powder Bed Fusion: effect of post-process heat treatments and surface finishing on microstructure and mechanical properties

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) permits the manufacturing of parts with optimized geometry, enabling lightweight design of mechanical components in aerospace and automotive and the production of tools with conformal cooling channels. In order to produce parts with high strength-to-weight ratio, high-strength steels are required. To date, the most diffused high-strength steels for LPBF are hot-work tool steels, maraging and precipitation-hardening stainless steels, featuring different composition, feasibility and properties. Moreover, LPBF parts usually require a proper heat treatment and surface finishing, to develop the desired properties and reduce the high roughness resulting from LPBF. The present PhD thesis investigates the effect of different heat treatments and surface finishing on the microstructure and mechanical properties of a hot-work tool steel and a precipitation-hardening stainless steel manufactured via LPBF. The bibliographic section focuses on the main aspects of LPBF, hot-work tool steels and precipitation-hardening stainless steels. The experimental section is divided in two parts. Part A addresses the effect of different heat treatments and surface finishing on the microstructure, hardness, tensile and fatigue behaviour of a LPBF manufactured hot-work tool steel, to evaluate its feasibility for automotive and racing components. Results indicated the possibility to achieve high hardness and strength, comparable to the conventionally produced steel, but a great sensitivity of fatigue strength on defects and surface roughness resulting from LPBF. Part B investigates the effect of different heat treatments on the microstructure, hardness, tensile and notch-impact behaviour of a LPBF produced precipitation-hardening stainless steel, to assess its feasibility for tooling applications. Results indicated the possibility to achieve high hardness and strength also through a simple Direct Aging, enabling heat treatment simplification by exploiting the microstructural features resulting from LPBF.